JP2018515349A - 全表面駆動接触を伴う駆動システム - Google Patents

Abstract

全表面駆動接触を伴う駆動システム。駆動システムは、表面接触のパターンまたは領域を典型的なビット凹部反作用（駆動）トルク値で最大化する傾向があり、それによってビット凹部表面接触応力、コーティングの損傷、凹部の広がり、ならびにビットの早期の疲労破損を最小化する傾向がある。本発明の実施形態の目的は、全表面駆動接触を伴う駆動システムを提供することである。本発明の実施形態の目的は、表面接触のパターンまたは領域を典型的なビット凹部反作用（駆動）トルク値で最大化する傾向があり、それによってビット凹部表面接触応力、コーティングの損傷、凹部の広がり、ならびにビットの早期の疲労破損を最小化する傾向がある駆動システムを提供することである。【選択図】図１

Description

関連出願（優先権主張）
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１５年３月１９日に出願された米国仮出願第６２／１３５，３９０号の利益を主張する。

本発明は、一般に、ビットおよびファスナ（ｆａｓｔｅｎｅｒ）を含む駆動システムなどの駆動システム、ならびにファスナに凹部を形成するためのパンチに関する。

典型的なファスナ駆動システムの設計図または幾何学的形状は、駆動工具（すなわち、ビット）とファスナ駆動機構（すなわち、凹部）との間の多様な表面接触パターンをもたらす。たとえば、ある駆動システムの幾何学的形状は「点」接触表面パターンをもたらし、ビットが（ゼロ近傍の反作用トルクを有する）凹部との最初の接触まで回転すると、ビットは凹部に点（または凹部の周りの複数の点）で接触する。

他の駆動システムの幾何学的形状は「線」接触表面パターンをもたらし、ビットが最初の接触まで回転すると、ビットは凹部に複数の線で接触する。ビットをファスナの凹部内に嵌め込むためには、ビットと凹部との間に、ある種のギャップが存在しなければならない。ビットが回転するにつれ、ビットと凹部とのギャップは、凹部の側壁との線接触があるまで狭くなる。点接触システムと線接触システムの両方は、駆動システム全体にわたる大きな応力を発生させ、またビット破損を増す場合がある。

さらに他の駆動システムの幾何学的形状は、ビットの端部から凹部の上部までの「領域」接触表面パターンをもたらす。一般に、「領域」接触表面パターンは「線」接触表面パターンよりも有益であり、「線」接触表面パターンは「点」接触表面パターンよりも有益である。

しかし、「領域」接触表面パターンに関してさえ、ビット凹部反作用トルク（すなわち、駆動トルク）が増加するにつれ、駆動ビットの幾何学的形状は弾性的に歪み（すなわち、捩じれ、また圧縮され）、凹部の幾何学的形状も弾性的に歪み（すなわち、圧縮され）、これにより、ビット凹部接触表面パターンを変化させて、ビットの端部から凹部の上部に向かうずれを引き起こす。反作用トルクが増加するにつれ、表面接触パターン領域は減少する傾向があり、そのためビット凹部接触応力が更に増加する。凹部の上部に増加した接触応力は、ファスナの仕上げ（すなわち、コーティング）を損傷する場合があり、また凹部の破損（リームアウト）につながる場合がある。ビットに増加した接触応力（および捩れ）は、早期摩耗、凹部の破損、ならびに疲労破損を引き起こす場合がある。

本発明の実施形態の目的は、全表面駆動接触を伴う駆動システムを提供することである。

本発明の実施形態の目的は、表面接触のパターンまたは領域を典型的なビット凹部反作用（駆動）トルク値で最大化する傾向があり、それによってビット凹部表面接触応力、コーティングの損傷、凹部の広がり、ならびにビットの早期の疲労破損を最小化する傾向がある駆動システムを提供することである。

簡単に説明すれば、本発明の実施形態は、ファスナを含む駆動システムを提供し、ファスナは、１つ以上の弧で形成された多角形インボリュート（ｐｏｌｙｇｏｎ ｉｎｖｏｌｕｔｅｓ，多角形伸開線）で形成される駆動表面を含むか、または単一の弧構造（ｓｉｎｇｌｅ ａｒｃ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）である。駆動表面を画定する弧に関して、好ましくは各弧が一定の半径を有する（すなわち、円のセグメントである）。

本発明の他の実施形態は、１つ以上の弧で形成された多角形インボリュートで形成される駆動表面を含むか、または単一の弧構造であるビットを提供する。駆動表面を画定する弧に関して、好ましくは、各弧が一定の半径を有する（すなわち、円のセグメントである）。

本発明の他の実施形態は、１つ以上の弧で形成された多角形インボリュートで形成される表面を含むか、または単一の弧構造であるパンチを提供する。表面を画定する弧に関して、好ましくは、各弧が一定の半径を有する（すなわち、円のセグメントである）。

本発明の構造および動作の構成および方法は、さらなる目的および利点とともに、同様の参照番号が同様の要素を特定する添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって最もよく理解されるであろう。

本発明の実施形態による凹部（またはパンチ）を示す。 図１に示す凹部に対応するビットの断面図である。 図１の凹部に挿嵌された図２のビットを示す。 図３と同様であるが、ビットが回転して凹部の駆動壁と完全に表面接触した後のビットおよび凹部を示す。 完全な表面接触を明確に示す拡大図である。 ビットが回転する前のビットと凹部とのギャップを示す拡大図である。 図１に示す凹部の一部を示し、また、そのいくつかの寸法も表示している。 図１に示す凹部の一部を示し、また、そのいくつかの寸法も表示している。 図２に示すビットの一部を示し、また、そのいくつかの寸法も表示している。 図２に示すビットの一部を示し、また、そのいくつかの寸法も表示している。 図１に示す凹部に関する図を提供する。 図１に示す凹部に関する図を提供する。 図１に示す凹部に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 代替の実施形態に関する図を提供する。 図２２は、実施形態を比較する図である。そして、 凹部のローブ間に設けられた異なるバージョンの延在壁を示す。 凹部のローブ間に設けられた異なるバージョンの延在壁を示す。 凹部のローブ間に設けられた異なるバージョンの延在壁を示す。 凹部のローブ間に設けられた異なるバージョンの延在壁を示す。 凹部のローブ間に設けられた異なるバージョンの延在壁を示す。

本発明は、多くの異なる形態で実施可能であるが、本開示が本発明の原理の例示と見なされるという理解をもって、図面に示され、本明細書において詳細に説明される。本発明を図示した実施形態に限定することを意図するものではない。

本発明の複数の実施形態を本明細書に開示する。各実施形態は、全表面駆動接触を伴う駆動システムを提供する。具体的には、各実施形態はファスナを含み、ファスナは、多角形インボリュートで形成された駆動表面を備えるか凹部か、または単一の弧構造として設けられる凹部を含む。

用語「インボリュート」に関しては、インボリュートは、最初に基礎円上にある点の軌跡であり、その点は、円の接線に沿った接触における正接点までの直線距離が、初期点から接線の瞬間点までの円弧に沿った距離と同じであるように動く。あるいは、インボリュ-トは、直線が円周を滑らずに回転したときの直線上の点の軌跡である。インボリュートは、紐または綿が円筒状のリールから巻き出されたときに、例えば紐または一片の綿の端部によって描き出される軌道として最もよく視覚化される。

インボリュートプロファイルを生成するために、円筒から紐などをほどく（ｕｎｗｉｎｄｉｎｇ）ことにより線を描くことが可能である。円筒は基礎円と呼ぶことができる。このほどく間におけるどの時点でも、生成線（ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｌｉｎｅ）（すなわち、紐）は円筒と正接し、インボリュート曲線に対して直角である。２つのインボリュートプロファイルが互いに接触している場合、母線は両方の円筒に対して正接しており、これはしばしば圧力線と呼ばれる。

数学的に、インボリュート曲線は次の数式から得られる。

Ｒ＝インボリュート上の任意の点までの半径、θ＝インボリュートの始点から半径Ｒまでの角度、β＝紐がほどかれなければならない角度である。

母線の長さが、［数２］と、また［数３］であるように角度βで規定された基本円の周の長さと等しい。

そして、置換により、［数４］となる。

これにより、インボリュート曲線を極座標（Ｒ、θ）に描画することが可能となる。角度は、［数５］における圧力角（φ）の関数として書くことが一般的である。

ここでＩｎｖ（φ）はインボリュート関数であり、その数値は様々なギアに関する多くの書籍で表にまとめられている。そして、この関数は、異なる半径における歯の厚さ（Ｔ_１）の測定など、以下の数式を用いて多くの計算に利用できる。

本発明を構成するファスナ、ビット、パンチ等は、現実の製造工程および材料が与えられた場合、顕微鏡下では完全な多角形インボリュートではない駆動表面を有してもよいことを指摘しておく。

図１は、ファスナ１１の凹部などの凹部１０または他の構造を示し（図１は、パンチ１０の端部表面の輪郭も示すことができる）、凹部１０は本発明のより好ましい実施施形態に従ったものである。具体的には、凹部１０は複数のローブ（ｌｏｂｅｓ，丸い突出物、葉、裂片）１２を設けるように構成され、各ローブ１２は、多角形インボリュートで形成された駆動表面１４を有する。より好ましい実施形態では、各駆動表面は、２つの弧を含む多角形インボリュートで形成され、各弧は異なる半径を有するが、各弧は一定の半径を有する（すなわち、各弧は円のセグメントである）。各ローブ１２の間には、隣接するローブ１２の間に延在する壁１８を設ける溝（ｆｌｕｔｅ）１６がある。これらの壁１８およびこれらの壁１８が取り得る別の形状は、後で以下により詳細に説明する。

図２は、ビット２０などの対応する外部駆動装置の断面図を提供し、ビット２０は、図１に示す凹部１０に関連して設けられ、ビット２０は本発明のより好ましい実施形態に従ったものである。具体的には、ビット２０の外部表面の輪郭は、ビット２０が凹部１０に挿嵌可能であるように、また凹部１０が形成されたファスナを駆動するために、時計回りまたは反時計周りのいずれかの方向に回転可能であるように、図１に示す凹部１０の輪郭と対応している。

ビット２０は、凹部１０に対応する。したがって、ビット２０は複数のローブ２１を含み、ローブ２１のそれぞれは、多角形インボリュートで形成された駆動表面または駆動壁２４を含む。より具体的には、好ましくは、駆動表面２４は、２つの弧を含む多角形インボリュートで形成され、また各弧は一定の半径を有する（すなわち、円のセグメントである）。好ましくは、溝２１間の壁２３の各々は、以下でより十分に説明するように、平坦（ｆｌａｔ）、凹円形（ｃｏｎｃａｖｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ）、凸頂点（ｃｏｎｖｅｘ ｖｅｒｔｅｘ）、凹頂点（ｃｏｎｃａｖｅ ｖｅｒｔｅｘ）のうちの少なくとも１つである。

ビット２０が最初に凹部１０に挿嵌されると、ビット２０および凹部１０は図３に示すように見え、ビット２０の駆動壁２４と、凹部１０の駆動壁１４とにギャップ２１がある。そして、ビット２０を時計回りに回転させたとすると、ビット２０と凹部１０は図４に示すように見え、ビット２０の前壁２６は、凹部１０の対応する駆動壁１４に係合し、ビット２０の後壁２８は、凹部１０の対応する駆動壁１４と離間し、ギャップ２２を提供する。

ビット２０の前壁２６と、凹部１０の対応する駆動壁１４との全表面接触は、ビット２０の前壁２６の１つと、凹部１０の駆動壁１４の１つとの接触面の拡大図を提供する図５に最もよく示される。全表面接触は、点３０から点３２まで延びる。一方、ビット２０の前壁と、ビット２０が回転する前の、凹部１０の対応する駆動壁１４とのギャップ２１は、ビット２０の前壁２６の１つと、凹部１０の対応する駆動壁１４の拡大図を提供する図６に最もよく示される。図４に示すように、点３０と点３２との表面接触を除いて、ビット２０と凹部１０とのギャップ２２は一定であり、好ましくはビット２０が回転する間は一定のままである。

他の構成が本明細書に開示されているが、図１および図２に示す、２つの弧の多角形インボリュ―ト構成が好ましい。この構成では、ブレンド半径（ｂｌｅｎｄ ｒａｄｉｕｓ）（すなわち、各弧の間の部分）は押し流されない（洗い流されない）。さらに、ビットと凹部との間に最小のギャップ２２が設けられる。各弧は異なる半径を有することが好ましいく、各弧は一定の半径を有すことが好ましい（すなわち、各弧は円のセグメントである）。図１に示すＡおよびＢ寸法は直径である。これらの直径を有することは、この特徴の測定を助け、Ａ寸法に小裂片の幅（ｌｏｂｕｌａｒ ｗｉｄｔｈ）をより与え、頭部成形工具が欠損する可能性を低減し、ローブにおけるビット領域を増やす。

図７は、図１に示す凹部の一部を示し、またいくつかの寸法を表示する。図８は、凹部の駆動壁のただ１つを示し、２つの弧のそれぞれの半径（Ｒ１およびＲ２）を含む、いくつかの他の寸法を示す。図のように、Ｒ１はＲ２と同等ではないが、Ｒ１およびＲ２のそれぞれは一定である。各寸法の実際の数値に関しては、ある特定の実施形態では、例えば（全ての数値がインチで）Ｒ１＝０．０１９８７５２７７８、Ｒ２＝０．０３９７５０５５５６、Ａ＝０．１５５、Ｂ＝０．１２０６、Ｆａ＝０．００８６、Ｆｂ＝０．０３６０７５９５５６、Ｅａ＝０．００８６、Ｅｂ＝０．０３６０７５９５５６、Ｐ＝０．０６８９、Ｓ＝０．０６８９、Ｒａ＝０．００７、ならびにＲｂ＝０．００５である。ＧｒおよびＧに関して、Ｇｒは１７．９０２１４４２０９２度であってもよいし、Ｇ（ＲＥＦ）は１８．９７１６１５７２３２度であってもよい。これは本発明の単なる一実施形態であり、本発明の範囲内に留まりながら、他の多くの寸法、形状などが完全に可能である。

図９および図１０は、図７および図８と類似しているが、図２に示すビット２０に関する。図のように、ビットは凹部に対応する形状を有する。図１１から図１３は２つの弧構造に関する複数の図を提供し、自明である。

図１４から図１６は、代替の実施形態に関する複数の図を提供し、また自明である。具体的には、図１４から図１６は、凹部の各駆動壁が、１つの弧を含む多角形インボリュートで形成されるように設けられ、弧が一定の半径を有する（すなわち、弧は円のセグメントである）構成を示す。

図１７から図１９は、更に別の実施形態に関する複数の図を提供し、自明である。具体的には、図１７から図１９は、凹部の各駆動壁が、３つの弧を含む多角形インボリュートで形成されるように設けられ、各弧は異なる半径を有するが、各弧は一定の半径を有する（すなわち、各弧は円のセグメントである）構成を示す。

図２０および図２１は、更に別の実施形態に関する複数の図を提供し、自明である。具体的には、図２０および図２１は、凹部の各駆動壁が単一の弧構造であるように設けられ、弧の半径が一定である（すなわち、弧は円のセグメントである）構成を示す。

図２２は、異なる実施形態を比較する図である。参照番号２００は円インボリュート高精度（ｃｉｒｃｌｅ ｉｎｖｏｌｕｔｅ−ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）を示し、参照番号２０２は多角形インインボリュート−１弧を示し、参照番号２０４は多角形インボリュート−２弧を示し、参照番号２０６は多角形インボリュート−３弧を示し、参照番号２０８は１弧構造（垂直弧）を示す。

図１および図２は、ローブ１２間の壁１８が平坦であるように設けられた構成を示す。これは図２３に非常によく示されており、左側に凹部１０、右側にビット２０が示されている。これは壁１８に関して好ましい構成である。なぜなら、この構成であれば、壁１８が集合的に六角形を画定し、その結果、六角工具を凹部に挿嵌して、（図２３の右側に示した、対応するビットの他に）ファスナを駆動するために使用することができるからである。

図２４から図２７の各々は、代替の実施形態を示し、各場合において、凹部は左側に示され、対応する（同様に形作られた）ビットは右側に示されている。図２４に示す実施形態では、溝間の壁１８の各々は半円形（すなわち、凸円形）であり、参照番号４０の円を識別する。

図２５に示す実施形態では、ローブ１４間の壁１８の各々は凹円形である。図２６に示す実施形態では、ローブ１４間の壁１８の各々は凹頂点である。図２７に示す実施形態では、ローブ１４間の壁１８の各々は凹頂点である。

本明細書で開示したどの凹部も、最深部が具体的に示されず、また説明されていないが、どの凹部の最深部も、用途および駆動システムの所望の特性に応じて、任意の適切な形状を取ることができる。たとえば、最深部は平坦であってもよく（たとえば、凹部の低部の最深部は平坦であってもよく）、円錐形であってもよく、球状の底部などを有してもよい。たとえば、最深部は、それぞれの駆動壁が凹部内への下降に関連して半円筒形であるようなものであってもよい。

本明細書で開示したどの凹部にも係合するように設けられたビットに関して、好ましくは、ビットはややらせん状であるように（すなわち、予め捩じれて）設けられる。このようにして、領域接触パターン凹部の幾何学的形状の使用は、対応するややらせん状のビットの幾何学的形状と組み合わされる。その結果、ゼロ近傍の反作用トルクで、ビットの端部はまず凹部に接し、トルクが増すにつれ、ビット凹部表面接触パターン領域は広張して、ビットの端部から凹部の上部まで延びる。

本発明の実施形態は、ファスナの頭部に凹部の形状で実施されるものとして説明してきたが、実施形態は、説明した凹部と一致す外部の輪郭を有する（ビットなどの）外部駆動装置の形状を取ってもよい。実際、本明細書で提供される図面は、そのような実施形態にも適用されるであろう。さらに、図面は６ローブシステムを示すが、本発明は、より多くのローブを含むシステム、または３、４、５個のローブシステムなど、より少ないローブを含むシステムに関して実施できる。

本発明の具体的な実施形態が示され、説明されているが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく様々な変更を考案することができることが想定される。

Claims (20)

1. 凹部と、前記凹部に駆動表面とを含むファスナであって、
   前記駆動表面が、多角形インボリュートおよび単一の弧構造のうちの少なくとも１つで形成される、
   ファスナ。
2. 前記凹部が複数のローブを備えるように構成され、各ローブが、多角形インボリュートで形成された駆動表面を備える、請求項１に記載のファスナ。
3. 前記凹部が複数のローブを備えるように構成され、各ローブが、２つの弧を含む多角形インボリュートで形成された駆動表面を備える、請求項１に記載のファスナ。
4. 各弧が異なる半径を有し、また各弧が一定の半径を有し、それぞれが円のセグメントである、請求項３に記載のファスナ。
5. 各ローブ間に壁を更に含み、前記壁が平坦である、請求項３に記載のファスナ。
6. 各ローブ間に壁を更に含み、前記壁が凹円形である、請求項３に記載のファスナ。
7. 各ローブ間に壁を更に含み、前記壁が凸頂点である、請求項３に記載のファスナ。
8. 各ローブ間に壁を更に含み、前記壁が凹頂点である、請求項３に記載のファスナ。
9. 駆動表面を含むビットであって、該表面が多角形インボリュートおよび単一の弧構造のうちの少なくとも１つで形成される、ビット。
10. 前記ビットが複数の溝を含み、各溝が、多角形インボリュ―トで形成される表面を備える、請求項９に記載のビット。
11. 前記ビットが複数の溝を含み、各溝が、２つの弧を含む多角形インボリュートで形成される表面を備える、請求項９に記載のビット。
12. 各弧が異なる半径を有し、また各弧が一定の半径を有し、それぞれが円のセグメントである、請求項１１に記載のビット。
13. 各溝の間に壁を更に含み、前記壁が平坦である、請求項１１に記載のビット。
14. 各溝の間に壁を更に含み、前記壁が凹円形である、請求項１１に記載のビット。
15. 各溝の間に壁を更に含み、前記壁が凸頂点および凹頂点のうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載のビット。
16. 表面を含むパンチであって、前記表面が多角形インボリュートおよび単一の弧構造のうちの少なくとも１つで形成される、パンチ。
17. 前記パンチが複数の溝を含み、各溝が、多角形インボリュートで形成された表面を備える、請求項１６に記載のパンチ。
18. 前記パンチが複数の溝を含み、各溝が、２つの弧を含む多角形インボリュートで形成された表面を備える、請求項１６に記載のパンチ。
19. 各弧が異なる半径を有し、また各弧が一定の半径を有し、それぞれが円のセグメントである、請求項１６に記載のパンチ。
20. 各溝の間に壁を更に含み、前記壁が平坦、凹円形、凸頂点、または凹頂点である、請求項１６に記載のパンチ。

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